采用可变形模型的人体运动力学研究

本项目摆脱了传统的采用刚体模型测量人体惯性参数的束缚，结合了计算机视觉、计算机图形学、运动生物力学三门学科的技术原理，从新的角度提出了弹性连接体三维模型以及采用此模型进行人体运动力学分析的理论框架。首先建立弹性连接体三维模型，使其采用较少的参数就能反映人肢体皮肤的变形。根据图像序列采用此模型重现运动员运动，采用此模型进行人体三维运动跟踪。再根据图像求得对应的模型参数，包括身体各环节体积、重心等。以各环节体积、重心为自变量建立各环节重力、三维转动惯量的回归方程，把得到的模型参数带入回归方程求得各环节质量和三维转动惯量。最后建立动力学和转动力学方程。测定完成动作的时间、重心运动轨迹及重心速度与加速度，研究动作过程中上述各量之间的关系及变化规律。测定各项运动中人体各环节重心和重力的数值，分析人体运动状态变化与引起这些变化的力之间的关系，有效地确定动作的技术原理，修改局部动作和设计新动作。

本项目摆脱了传统的采用刚体模型测量人体惯性参数的束缚，结合了计算机视觉、计算机图形学、运动生物力学三门学科的技术原理，从新的角度提出了弹性连接体三维模型以及采用此模型进行人体运动力学分析的理论框架。本项目展示了一种采用蛋形曲面的可变形人体模型，并根据图像轮廓采用此模型对人体上臂、前臂、大腿、小腿进行建模及其变形参数的确定，从而近似地反映出手臂以及腿部运动过程中肌肉所发生的形变情况。展示了基于蛋形曲面模型的人体运动跟踪，在基于蛋形曲面模型的跟踪方面，利用基于模型的粒子滤波算法对人体手臂运动以及各肢体运动进行跟踪，针对链接型运动的高维空间特性，结合分块采样策略，采用自上而下的搜索方式完成基于蛋形曲面模型的粒子滤波算法，并利用该算法对手臂运动以及各肢体运动进行跟踪。展示了基于蛋形曲面模型并采用判别方法和生成模型方法、协方差比例采样方法、平面模板匹配方法的三种人体运动跟踪方法。展示了一种基于模型的人体转动力学分析方法，将人体有效地看成由多个环节共同构成的组合系统，根据转动力学相关原理采用人体蛋形曲面模型对各个环节的转动分别进行分析，从而得到人体各环节的重力、角速度、转动惯量、转动动能、动量矩等转动力学参数，并近似地对整个人体转动结合转动定律、动量矩定理等进行分析。根据单杠运动员旋转的视频图像，计算出人体各环节质心点在各个时刻的转动半径，并分析了各环节转动半径随时间的变化趋势；计算出人体各环节质心点在各个时刻的角速度，并分析了各环节角速度随时间的变化趋势；分析了人体转动过程中转动动能、动量矩、转动角速度、合外力矩等参数之间的变化关系。